Wie man die am besten geeignete Technologie auswählt:FDM, SLA und SLS

Additive Fertigung ist der Begriff, der verwendet wird, um die gesamte Reihe von Fertigungstechnologien zu beschreiben, die auf Materialbeitragsumformung basieren . Dies bedeutet, dass es im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung (die traditionelle CNC-Bearbeitungsmethoden umfasst) auf dem Bau von Teilen basiert, indem Schicht für Schicht die genaue Menge an Material auf selektive Weise bereitgestellt wird.

Innerhalb dieser Kategorie finden wir jedoch eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Technologien, jede mit ihren Vor- und Nachteilen, daher ist es von großer Bedeutung, ihre Grundlagen und Grenzen zu kennen, um die am besten geeignete für jeden Bedarf auszuwählen.

Obwohl es viele Technologien und Varianten gibt, sind drei in der Branche am häufigsten und am weitesten verbreitet:

• Abscheidung von geschmolzenem Material (FDM)
• Selektive Photopolymerisation von Harzen (SLA)
• Selektives Lasersintern (SLS)

Am weitesten verbreitet ist jedoch zweifellos die FDM-Technologie. Hauptsächlich aufgrund des Aufkommens kostengünstiger 3D-Drucker auf Basis dieser Technologie haben in den letzten Jahren sowohl die SLA- als auch die SLS-Technologie an Boden gewonnen . Unternehmen wie Formlabs oder Sinterit Marktausrüstung, basierend auf SLA bzw. SLS, in der Lage, industrielle Qualität zu wirklich wettbewerbsfähigen Preisen zu erreichen. Zusammen mit dem Aufkommen neuer Materialien macht es dies derzeit für ein Unternehmen oder einen Fachmann schwierig, sich für die eine oder andere Technologie zu entscheiden.

Im Folgenden beschreiben wir die Hauptmerkmale der einzelnen, sowie ihre Unterschiede, Vor- und Nachteile.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Es ist bei weitem die beliebteste Technologie . Es basiert auf dem Extrudieren durch eine Düse oder "Düse", ein Thermoplast oberhalb seiner Schmelztemperatur. Wenn das extrudierte Material die Filamentdüse verlässt, wird es selektiv und Schicht für Schicht aufgetragen, um das Teil zu bilden.

Bild 1:FDM-Druck. Quelle:commons.wikimedia.com

Obwohl es das gebräuchlichste ist, ist es das komplexeste, wenn es um das Entwerfen und Vorbereiten von Dateien für den Druck geht . Die Einschränkungen des 3D-FDM-Drucks bestimmen oft das Design selbst Wenn also Teile mit dieser Technologie hergestellt werden, ist es im Allgemeinen notwendig, sie zu entwerfen oder umzugestalten, um sie kompatibel zu machen. Dies kann ein großes Problem sein, wenn das Ziel des 3D-Drucks darin besteht, Modelle zu validieren, die später mit anderen Produktionsmethoden hergestellt werden.

Unter all den Einschränkungen sind die wichtigsten die Notwendigkeit der Verwendung von Stützen und die Unmöglichkeit, eine mechanische Isotropie zu erreichen.

Da sich das geschmolzene Material nicht an der Luft absetzen kann, ist es nicht möglich, Brücken oder Überhänge direkt zu drucken, so dass in diesen Fällen Stützstrukturen hinzugefügt werden müssen. Dies bedeutet einen höheren Material- und Zeitaufwand, zusätzlich zu der Tatsache, dass die Teile nachbearbeitet werden müssen, um diese Stützen zu entfernen, und die Oberflächenqualität im Kontaktbereich beeinträchtigt wird.

Bild 2:Gedruckte Teile mit Stützen. Quelle:Simplify3D

Eine Möglichkeit, einige der Nachteile der Verwendung von Medien zu minimieren, besteht darin, sie mit einem löslichen Material zu drucken . Dies erleichtert ihre Entfernung und verbessert die Oberflächenqualität der Kontaktfläche. Dies erfordert, dass der Drucker über ein Doppelextrudersystem verfügt wie das IDEX-System für die BCN3D Sigma- und BCN3D Sigmax-Drucker oder der Bondtech-Doppelextruder, der in die Raise Pro2-3D-Drucker integriert ist.

Film 1:IDEX BCN3D-System. Quelle:BCN3D

Andererseits ist es, wie wir in einem früheren Artikel erklärt haben, mit FDM unmöglich, isotrope Teile zu erhalten , was bei bestimmten mechanischen und strukturellen Anwendungen ein großes Problem darstellt.

Andere wichtige Einschränkungen sind niedrige Auflösung und hohe Toleranzen . Obwohl es möglich ist, mit Düsen mit kleinem Durchmesser Z-Auflösungen zu erzielen, die denen von SLA oder SLS nahekommen, wird die XY-Auflösung immer viel geringer sein und durch das verwendete Material bedingt sein . Dies liegt daran, dass die Auflösung durch den Durchmesser der verwendeten Düse bestimmt wird und nicht alle Materialien mit Düsen mit kleinem Durchmesser kompatibel sind.

Allerdings sind nicht alle Nachteile. Die FDM-Technologie bietet bei weitem die größte Auswahl an Materialien und ist kostengünstiger , zusätzlich zu höheren Druckvolumina und obwohl der Preisunterschied zwischen den verschiedenen Technologien verkürzt wurde, ist es immer noch die billigste Technologie.

Bild 3:Pyramide der wichtigsten Materialien, die für den 3D-FDM-Druck verfügbar sind. Quelle:3dhubs.com

Es ist auch eine saubere und sichere Technologie das wenig Vorbereitung vor dem Drucken erfordert . Dadurch kann es in jeder Umgebung aufgestellt werden und bietet mehr Unmittelbarkeit als SLA- und SLS-Druck, die umfangreichere Vorbereitungs- und Reinigungsaufgaben erfordern, was es zur perfekten Technologie für Bildungsanwendungen auf allen Ebenen macht, von der Grundschule bis zum höheren Studium.

Es ist eine ideale Technologie zum Drucken von Vorlagen und Werkzeugen, Teilen mit einem großen mittleren Volumen oder für Anwendungen, die spezielle Materialien erfordern, die für andere Technologien nicht verfügbar sind.

Ein weiterer Bereich, in dem der 3D-FDM-Druck große Vorteile bietet, ist die Herstellung von Architekturmodellen . Im Allgemeinen besteht diese Art von Projekt aus sperrigen Teilen, die keine hohe Präzision erfordern. Dies, zusammen mit der Verfügbarkeit von Materialien wie Filamet, Timberfill, Smartfil EP oder PLA Mukha, die in der Lage sind, den Teilen Metall-, Holz- oder Keramikoberflächen zu verleihen, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Bild 4:Modelo arquitectónico impreso por FDM. Quelle:Raise3D

Stereolithographie (SLA)

Es ist die zweithäufigste 3D-Drucktechnologie. Es basiert darauf, dass eine Küvette aus photohärtbarem Harz Schicht für Schicht selektiv ultraviolettem Licht ausgesetzt wird . Diese selektive Belichtung kann durch einen Laserscan (SLA), einen Projektor (DLP) oder eine maskierte LED (LED-LCD / MSLA) erfolgen.

Bild 5:Unterschiede zwischen SLA, DLP und MSLA. Quelle:theorthocosmos.com 

Wie beim 3D-FDM-Druck erfordert es Stützen die nach dem Drucken entfernt werden müssen, jedoch erlaubt der 3D-SLA-Druck derzeit kein gleichzeitiges Drucken mit zwei Materialien, daher ist die einzige Möglichkeit, die Stützen zu entfernen, mechanisch . Das bedeutet, dass in diesem Fall auch die Oberfläche des Werkstücks in Mitleidenschaft gezogen wird in den Bereichen, in denen Kontakt mit den Unterstützern bestand.

Bild 6:Stützen eines von SLA gedruckten Stücks. Quelle:3Dhubs.com

Ein weiterer grundlegender Unterschied zum 3D-FDM-Druck besteht darin, dass duroplastische Polymere anstelle von Thermoplasten verwendet werden. Außerdem sind SLA-Materialien tendenziell teurer als FDM-Materialien und haben eine gewisse Toxizität . Dies zusammen mit der Tatsache, dass die Stücke gereinigt und nachbearbeitet werden müssen Aufgaben, macht diese Technologie für den Bildungsbereich weniger empfehlenswert.

Seine Stärke liegt jedoch in der hohen Auflösung und der hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit, die durch 3D-SLA-Druck erreichbar ist. Generell können in allen Ebenen Auflösungen von bis zu 50 µm erreicht werden .

Trotz der Tatsache, dass es SLA-Drucker mit großen Druckvolumina gibt, die mit denen von 3D-FDM-Druckern vergleichbar sind, neigen 3D-SLA-Drucker im Allgemeinen dazu, deutlich geringere Druckvolumina zu haben.

Es eignet sich perfekt zum Drucken von kleinen Teilen, die eine hohe Auflösung und hervorragende Oberflächenbeschaffenheit erfordern . Es ist derzeit die beliebteste 3D-Drucktechnologie in der Dental- und Schmuckindustrie . Aus diesem Grund verfügt es über den umfangreichsten Katalog an Dental- und Gießharzen.

Bild 7:Von SLA gedruckte Zahnmodelle. Quelle:Formlabs.

Selektives Lasersintern (SLS)

Es ist wahrscheinlich die am wenigsten bekannte Technologie , obwohl es eines der ältesten und am weitesten verbreiteten in industriellen Umgebungen ist.

Dies liegt daran, dass bis vor kurzem alle SLS-3D-Druckgeräte angemessene Einrichtungen erforderten und die Kosten sowohl für die Ausrüstung als auch für die Implantation hoch waren. Dies hat sich jedoch in den letzten Jahren durch das Erscheinen von SLS-Druckern im Desktop-Format wie den Druckern Lisa und Lisa Pro geändert, deren Anschaffungskosten in der Implementierung denen der FDM- und SLA-Systeme nahe kommen. Obwohl diese Technologie die Herstellung von sowohl Thermoplast- als auch Metallteilen ermöglicht, konzentrieren wir uns nur auf den thermoplastischen 3D-SLS-Druck, da das Ziel dieses Artikels darin besteht, die Unterschiede zwischen den drei Technologien zu verstehen.

Der 3D-SLS-Druck besteht aus dem selektiven Sintern von Schichten aus Pulvermaterial mithilfe eines Laserscansystems. Jedes Mal, wenn eine Schicht gesintert wird, senkt sich die Bauplattform und ein spezielles Gerät namens Recoater trägt eine neue Pulverschicht auf.

Bild 8:Schema eines SLS-Druckers. Quelle:Sinterit.

Der Hauptvorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit, unterstützt zu drucken . Dadurch sind die Designeinschränkungen viel geringer als bei jeder anderen Technologie , zusätzlich zur vereinfachten Nachbearbeitung der Teile.

Dies gepaart mit der hohen Präzision Die durch den Laser erzielte, der durch den 3D-Druck SLA oder FDM erzielte überlegene Lösung ermöglicht es, komplexe Baugruppen direkt zu drucken, ohne ihre Komponenten einzeln drucken zu müssen.

Film 2:Fahrradschaltung direkt mit 3D-SLS-Druck hergestellt. Quelle:Sinterit.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die mit SLS gedruckten Teile dicht sind und eine hohe Isotropie aufweisen , was sie zur idealen Technologie für die Herstellung von Funktionsmustern und Prototypen macht. All dies zusammen mit der guten Oberflächenbeschaffenheit macht es auch für die Herstellung kleiner Serien von Endprodukten geeignet .

SLS-3D-Drucker haben keine große Auswahl an kompatiblen Materialien als 3D-FDM-Druck , jedoch die Möglichkeit, technische Materialien wie verschiedene Arten von Nylons oder TPE und TPUs zu verwenden , macht es in der Lage, die meisten Anwendungen abzudecken.

Film 3:Mit 3D-SLS-Druck auf TPU gedrucktes Teil. Quelle:Sinterit.

Trotz aller Vorteile ist der Haupteinschränkungsfaktor des SLS-3D-Drucks das Bauvolumen. Obwohl Industrieanlagen große Bauvolumina aufweisen, die denen von FDM-Systemen ähneln, haben SLS-Desktop-3D-Drucker ein ähnliches Druckvolumen wie SLA-Drucker

Außerdem ist die Teilenachbearbeitung auf die Reinigung beschränkt, um überschüssiges Pulver ohne Sinterung zu entfernen , SLS-3D-Drucker erfordern eine Vorbereitung und Reinigung, die weniger unmittelbar ist als der FDM-Druck .

Obwohl all diese Eigenschaften diese Technologie zum Industriestandard gemacht haben , seine hohen Kosten haben seinen Zugang zu kleinen und mittleren Unternehmen eingeschränkt. Mit dem Aufkommen erschwinglicher Desktop-SLS-3D-Drucker wie Lisa und Lisa Pro in den letzten Jahren ändert sich dies. Obwohl die Kosten immer noch etwas höher sind als bei gleichwertigen Modellen in FDM und SLA, sind die Kosten derzeit kein entscheidender Faktor mehr bei der Auswahl der einen oder anderen Technologie.

Bild 9:Sinterit Lisa Pro. Quelle:Sinterit.

Vergleich zwischen FDM, SLA und SLS

Um die drei Technologien richtig zu vergleichen, müssen wir dies auf zwei Ebenen tun:in Bezug auf die Eigenschaften und in Bezug auf Design- und Herstellungsbeschränkungen.

Die Hauptmerkmale jeder Technologie werden im Folgenden verglichen:

Eigenschaften>Eigenschaften
Funktion	FDM	SLA	SLS
Funktionsprinzip	Extrusion von geschmolzenem Material	Harz-Photopolymerisation	Gesinterte Mikropartikel
Art der kompatiblen Materialien	Thermoplaste	Lichthärtender Kunststoff	Thermoplaste
Anzahl kompatibler Materialien	Sehr hoch	Mittel	Niedrig
Materialpreis	Mittel - Niedrig	Hoch	Mittel
Komplexität	Hoch	Mittel	Mittel
Unmittelbarkeit	Sehr hoch	Mittel	Niedrig
Mindestebenenauflösung	0,1 mm	0,05 mm	0,06 mm
Maximale Auflösung in XY	0,25 mm	0,05 mm	0,08 - 0,08 mm
Präzision	Niedrig	Mittel	Hoch
Anwendungen	Rapid Prototyping. Bildung. Herstellung von Vorlagen und Werkzeugen.	Modelle mit kleinen Details. Gießbare Negative für Schmuck und Zahnmedizin. Schienen.	Funktionsprototypen. Kurzserien. Schablonen und Werkzeuge. Orthopädische Komponenten. Medizinische Modelle
Vorteil	Niedriger Preis. Unmittelbar. Material verfügbar.	Hohe Auflösung. Hochwertige dentale und gießbare Materialien.	Druck ohne Stützen. Hochwertige Teile. Baugruppen direkt drucken. Hohe Genauigkeit.
Nachteile	Hilfsmittel müssen verwendet werden. Einige Materialien schrumpfen stark.	Hoher Materialaufwand. Geringes Druckvolumen.	Lange Druckzeiten. Geringes Druckvolumen.

Die folgende Tabelle zeigt die Designbeschränkungen jeder Technologie:

Designanforderungen
Funktion	FDM	SLA	SLS
Überhänge	Benötigt Stützen von 45º	Brauchen immer Stützen	Benötigen Sie keine Stützen
Brücken	Benötigt Stützen ab 10 mm	Benötigt keine Stützen, obwohl sie empfohlen werden	Benötigen Sie keine Stützen
Mindestwandstärke	0,8 mm	0,5 mm auf gestützten Wänden 1 mm an nicht unterstützten Wänden	0,7 mm
Gravuren	0,6 mm breit 2 mm hoch	0,4 mm	1mm
Mindestdurchmesser der Löcher	2mm	0,5 mm	1,5 mm
Toleranz bei beweglichen Teilen und Verbindungen	0,5 mm	0,5 mm	0,3 mm in beweglichen Teilen 0,1 mm in Verbindungen
Auslasslöcher in hohlen Teilen	Keine Notwendigkeit	4mm	5mm
Mindestdetailgröße	2mm	0,2 mm	0,8 mm
Minimaler Säulendurchmesser	3mm	0,5 mm	0,8 mm
Allgemeine Toleranzen	±0,5 % (Untergrenze ± 0,5 mm)	±0,5 % (Untergrenze ± 0,15 mm)	±0,3 % (Untergrenze ± 0,3 mm)

Heute sind Computer auf Basis dieser drei Technologien in ähnlicher Preisklasse auf dem Markt erhältlich, etwa Drucker der Hersteller Raise3D, Formlabs oder Sinterit. Aus diesem Grund sind die einzigen Kriterien bei der Entscheidung, die eine oder andere Technologie zu implementieren, technische Kriterien.

Es ist notwendig, die Bedürfnisse und die Verwendung des 3D-Druckers gut einzuschätzen, um zu entscheiden, welche Technologie am besten geeignet ist, und um die Investition rentabel machen zu können.